專利名稱：鋁土礦低溫溶出法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及濕法冶金領(lǐng)域，特別是輕金屬鋁的提取冶金。涉及一種堿法處理鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁的方法。
背景技術(shù)：
拜耳法是目前世界上生產(chǎn)氧化鋁的主要方法。拜耳法提取氧化鋁的核心是鋁土礦的溶出。鋁土礦的礦物類型不同，要求的溶出條件也不同。對(duì)三水鋁石來說，溶出溫度一般為120-140℃，而一水軟鋁石則要求205-230℃，一水硬鋁石更要求230-245℃，甚至高達(dá)260-280℃。
對(duì)于頑固的一水鋁石，提高溶出溫度可以提高氧化鋁的溶出速度，還可以在保證氧化鋁充分溶出的前提下獲得低苛性比的溶出液。針對(duì)高溫工作條件，人們開發(fā)出了在250℃左右工作的高壓溶出工藝，以及實(shí)踐證明十分有效的可以在近260-280℃工作的管道化溶出工藝。對(duì)于管道化工藝，由于工作溫度過高，水蒸汽的汽化潛熱已不敷用，只好改用熔鹽作為加熱介質(zhì)。由于中國的一水硬鋁石礦極為頑固，甚至在經(jīng)過管道溶出后還需要再進(jìn)入停留罐以維持足夠反應(yīng)時(shí)間，這又形成了中國特色的管道—停留罐工藝(陳萬坤 鮑澤科 拜爾法生產(chǎn)氧化鋁強(qiáng)化溶出的方法 中國專利CN88108014.4)。
但是，采用高溫溶出時(shí)，不但設(shè)備材質(zhì)要求嚴(yán)格、影響壽命，而且過程能耗高。
中國專利申請(qǐng)200410046916.7提出了一個(gè)處理鋁土礦的“對(duì)稱拜耳法”。與傳統(tǒng)拜耳法使用低濃度苛性氧化鈉溶液不同，對(duì)稱拜耳法使用較高濃度溶液溶出鋁土礦。
在Na2O-Al2O3-H2O系平衡相圖上，不同溫度下的平衡均由左右兩條弧線構(gòu)成“山”形，兩線相交形成“山”的頂點(diǎn)。其位置隨溫度變化而擺動(dòng)，其高度總體上隨溫度升高而升高。在頂點(diǎn)的左邊弧線上建立起來的是氧化鋁水合物固體與鋁酸鈉溶液之間的平衡，氧化鋁水合物可以穩(wěn)定存在；但在右側(cè)的弧線上，則是鋁酸鈉溶液與鋁酸鈉固體結(jié)晶之間的平衡，氧化鋁水合物是不能穩(wěn)定存在的；在頂點(diǎn)位置，氧化鋁水合物(鋁土礦)與鋁酸鈉(或鋁酸鈉水合物)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。
對(duì)稱拜耳法要求在溶出完成后，溶液中苛性氧化鈉的濃度仍大于“山”的頂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的濃度，即該溶出溫度下氧化鋁水合物(鋁土礦)與鋁酸鈉(或鋁酸鈉水合物)共同熱力學(xué)平衡時(shí)所對(duì)應(yīng)的苛性氧化鈉的濃度。這樣使得溶出時(shí)體系中的平衡由傳統(tǒng)拜耳法的鋁土礦與鋁酸鈉溶液之間的平衡轉(zhuǎn)化為鋁酸鈉溶液與鋁酸鈉晶體間的平衡。由于這種條件下三水鋁石、一水軟鋁石或一水硬鋁石都因熱力學(xué)原因不能穩(wěn)定存在，鋁土礦的溶出過程將在無法建立平衡或者說極大地遠(yuǎn)遠(yuǎn)離開平衡的條件下進(jìn)行，具有非常大的熱力學(xué)推動(dòng)力。
但是其工作仍較高，在其權(quán)利要求書中，工作溫度范圍為100-220℃。在其實(shí)施例中，主要的有效工作溫度則是在200℃左右。
然而，需要注意溶出體系的以下兩個(gè)重要特征1.Na2O-Al2O3-H2O系平衡圖中，“山”的頂點(diǎn)的位置對(duì)應(yīng)的Na2O濃度在100℃以下時(shí)較低(95℃時(shí)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)20.87％)，溫度超過100℃后頂點(diǎn)位置顯著增加。如150℃和200℃時(shí)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的濃度分別為26.58％和26.01％；2.溶液中NaOH的活度系數(shù)隨溶液離子強(qiáng)度的增加而迅速增加，但又隨體系溫度的升高而更加迅速地降低。
這兩個(gè)特征在溶出時(shí)造成了不利的影響一方面，對(duì)對(duì)稱拜耳法來講，整個(gè)溶出過程必須在“山”的頂點(diǎn)的右側(cè)進(jìn)行。這樣，在200℃左右的溫度進(jìn)行時(shí)，需要將Na2O濃度調(diào)整到超過26％許多的更高濃度。(如果在100℃或以下工作，則對(duì)Na2O濃度的要求降低，這一濃度為21％)而高的Na2O濃度意味著大的蒸發(fā)能耗；另一方面，高溫下溶出劑NaOH的活度大幅度下降，在動(dòng)力學(xué)上對(duì)反應(yīng)不利；再者，高的溶出溫度也意味著較高的溶出能耗。
因此我們考慮，因勢(shì)利導(dǎo)進(jìn)一步將溶出溫度降到100℃或以內(nèi)，反而可以利用溶出體系的上述兩個(gè)重要特征，降低溶出和蒸發(fā)能耗。
這時(shí)，與對(duì)稱拜耳法一樣，整個(gè)溶出過程仍然是在“山”的頂點(diǎn)的右側(cè)進(jìn)行。鋁土礦依然是“因熱力學(xué)原因不能穩(wěn)定存在，溶出過程將在無法建立平衡或者說極大地遠(yuǎn)離平衡的條件下進(jìn)行，具有非常大的熱力學(xué)推動(dòng)力。”而在動(dòng)力學(xué)上，預(yù)期對(duì)反應(yīng)速度有正、反兩方面的影響溫度的降低使得反應(yīng)速度常數(shù)下降；但低溫下NaOH活度系數(shù)大幅度上升導(dǎo)致其活度呈幾何級(jí)數(shù)增加，又有利于溶出反應(yīng)速度的加快。兩相抵消，溶出仍可望以較快的速度進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種低溫強(qiáng)化溶出工藝，用于處理鋁土礦特別是“難處理”的一水硬鋁石礦。
基本原理用來溶出鋁土礦的鋁酸鈉溶液(即循環(huán)母液)的成分與傳統(tǒng)拜耳法不同，位于“山峰”的右側(cè)，相當(dāng)于附圖1中A點(diǎn)。它對(duì)鋁酸鈉是飽和的，但因熱力學(xué)原因仍具有溶解鋁土礦的能力。隨著溫度升高，溶液對(duì)鋁的溶解能力有所變化。按附圖1，由于體系溫度從60℃上升到95℃后Al2O3的溶解度有所下降，溶液組成點(diǎn)逐漸變化到B點(diǎn)。但這一過程中鋁土礦仍在溶解，只不過同時(shí)有更多的鋁酸鈉從溶液中結(jié)晶出來。到達(dá)溶出溫度下的飽和平衡線上的B點(diǎn)后，鋁土礦繼續(xù)溶解，鋁酸鈉仍不斷結(jié)晶。由于Na2O的含量相對(duì)下降而Al2O3的含量相對(duì)上升，溶液組成沿該溫度下鋁酸鈉飽和溶解度線逐漸移動(dòng)，直到溶出結(jié)束時(shí)到達(dá)C點(diǎn)。ABC線稱為溶出線；為了從中析出氫氧化鋁，向溶液中加入赤泥洗液進(jìn)行稀釋，溶液中的鋁酸鈉晶體得到溶解，溶液成分由C點(diǎn)沿鋁酸鈉的溶解度曲線變化到D點(diǎn)。隨著稀釋過程的進(jìn)行，再進(jìn)一步沿等分子比線變化到E點(diǎn)，CDE線稱作稀釋線；分離赤泥后，降低溫度，溶液的過飽和度進(jìn)一步提高。加入氫氧化鋁晶種便發(fā)生分解反應(yīng)析出氫氧化鋁。分解過程中溶液組成沿著E點(diǎn)與Al(OH)3組成點(diǎn)的聯(lián)線變化。設(shè)若冷卻到30℃，種分母液的成分可以達(dá)到聯(lián)線與30℃等溫線的交點(diǎn)，而實(shí)際是在此前的F點(diǎn)溶液依然過飽和時(shí)結(jié)束的。EF聯(lián)線稱作分解線；組成為F點(diǎn)的種分母液通過蒸發(fā)濃縮，溶液組成沿等分子比線變化到G點(diǎn)。進(jìn)一步蒸發(fā)，又可以回到A點(diǎn)。FGA聯(lián)線為蒸發(fā)線。到達(dá)A點(diǎn)后，溶液中會(huì)產(chǎn)生鋁酸鈉結(jié)晶?？梢酝ㄟ^離心分離出來，在下一周期溶出液稀釋時(shí)并入系統(tǒng)。也可以不加分離，直接用于溶出鋁土礦。
溶出過程在更低的溫度下如60℃進(jìn)行，如圖2所示，其中AB線(經(jīng)過F點(diǎn))為溶出線，BCD線為稀釋線，DE線為分解線，EFA線為蒸發(fā)線。與附圖1大同小異。
本發(fā)明的工作循環(huán)在不大于100℃的低溫下工作，溶出過程仍跨越了“山峰”的兩側(cè)。
鋁土礦低溫溶出法，采用含有苛性鈉的鋁酸鈉溶液溶出鋁土礦，溶出溫度為10-100℃；溶出時(shí)間為10-4800分鐘；CaO的添加量為鋁土礦重量的1-25％，而Na2O的濃度在整個(gè)溶出過程中總是大于21％；配料分子比(按Na2O/Al2O3計(jì)算的摩爾比)為1.05-1.70，優(yōu)選值為1.10-1.45；使用0.3-2.0的低液固(溶出液與鋁土礦的重量比)比條件溶出，優(yōu)選值為0.45-1.0。
溶出完成后，溶液中苛性氧化鈉的濃度大于溶出時(shí)氧化鋁水合物(鋁土礦)與鋁酸鈉(或鋁酸鈉水合物)共同熱力學(xué)平衡時(shí)的苛性氧化鈉的濃度。
本發(fā)明適合于處理一水硬鋁石、一水軟鋁石或三水鋁石型鋁土礦，以及一水硬鋁石、一水軟鋁石或三水鋁石中兩者或三者的混合型鋁土礦，鋁土礦的鋁硅比為5-17。
使用本發(fā)明可以在低的堿循環(huán)量和低的工作溫度(不大于100℃)下實(shí)現(xiàn)鋁土礦的有效分解。工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備制造要求相對(duì)較低、能耗低、分解率高。


圖1是本發(fā)明在95℃溶出工作原理圖。
圖2是本發(fā)明在60℃溶出工作原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例實(shí)施例1.某鋁土礦含Al2O367.22％，SiO28.06％，F(xiàn)e2O35.88％，CaO 0.86％，TiO23.28％，灼減13.86％，主要含鋁礦物成分為一水硬鋁石。
溶出反應(yīng)器中加入NaOH 7.2Kg，Na2O·Al2O3·2.5H2O 8.2Kg，水5.2Kg，鋁土礦10Kg。在95-100℃溶出240分鐘后出料。赤泥經(jīng)過濾、洗滌、烘干后分析，含Al2O321.01％，SiO213.55％，折合相對(duì)溶出率92.5％。
實(shí)施例2.鋁土礦與溶出條件同實(shí)施例1，但在配料時(shí)配入CaO 850g。所得干赤泥含Al2O318.53％，SiO213.78％，折合相對(duì)溶出率95.3％。
實(shí)施例3.鋁土礦與溶出條件同實(shí)施例1，但在配料時(shí)配入CaO 900g，在10-35℃溶出4800分鐘。所得干赤泥含Al2O322.13％，SiO213.63％，折合相對(duì)溶出率91.5％。
實(shí)施例4.鋁土礦同實(shí)施例1。
溶出反應(yīng)器中加入NaOH 7.2Kg，Na2O·Al2O3·2.5H2O 8.2Kg，CaO 900g，水4.7Kg，鋁土礦12.5Kg。在95±5℃溶出10分鐘后出料。赤泥經(jīng)過濾、洗滌、烘干后分析，含Al2O331.04％，SiO210.95％，折合相對(duì)溶出率75.2％。
實(shí)施例5.某鋁土礦含Al2O363.68％，SiO23.60％，F(xiàn)e2O313.88％，CaO 0.08％，TiO23.46％，灼減13.86％，主要含鋁礦物成分為一水硬鋁石。
溶出反應(yīng)器中加入NaOH 6.8Kg，Na2O·Al2O3·2.5H2O 7.7Kg，CaO 550g水5.5Kg，鋁土礦12Kg。在90-100℃溶出240分鐘后出料。赤泥經(jīng)過濾、洗滌、烘干后分析，含Al2O314.96％，SiO28.01％，折合相對(duì)溶出率94.8％。
實(shí)施例6.鋁土礦含Al2O355.37％，SiO25.45％，F(xiàn)e2O312.61％，TiO22.52％，灼減23.16％，主要含鋁礦物成分為三水鋁石。
溶出反應(yīng)器中加入NaOH 7.2Kg，Na2O·Al2O3·2.5H2O 8.2Kg，水6.0Kg，鋁土礦14Kg。在70-95℃溶出90分鐘后出料。赤泥經(jīng)過濾、洗滌、烘干后分析，含Al2O312.70％，SiO29.82％，折合相對(duì)溶出率96.8％。
實(shí)施例7.鋁土礦含Al2O365.56％，SiO29.98％，F(xiàn)e2O39.41％，TiO22.62％，主要含鋁礦物成分為一水硬鋁石。
溶出反應(yīng)器中加入NaOH 6.8Kg，Na2O·Al2O3·2.5H2O 7.7Kg，CaO 700g水5.0Kg，鋁土礦12Kg。在55-93℃溶出240分鐘后出料。赤泥經(jīng)過濾、洗滌、烘干后分析，含Al2O322.24％，SiO212.47％，Na2O 3.51％。折合相對(duì)溶出率85.93％。
權(quán)利要求
1.鋁土礦低溫溶出法，采用含有苛性鈉的鋁酸鈉溶液溶出鋁土礦，其特征在于深出過程中溶出溫度為10-100℃；溶出時(shí)間為10-4800分鐘；CaO的添加量為鋁土礦重量的1-25％，Na2O的濃度在整個(gè)溶出過程中總是大于21％；Na2O與Al2O3的配料分子比為1.05-1.70；液固重量比0.3-2.0。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶出法，其特征在于Na2O與Al2O3的配料分子比優(yōu)選值為1.10-1.45；液固重量比優(yōu)選值為0.45-1.0。
全文摘要
一種在不超過100℃的工作溫度下從鋁土礦特別是從一水硬鋁石型鋁土礦中提取氧化鋁的方法。使用本方法處理鋁土礦時(shí)，溶液中Na
文檔編號(hào)C22B3/22GK101045960SQ20061003143
公開日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2006年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月30日
發(fā)明者趙中偉 申請(qǐng)人:中南大學(xué)